如何減少AWG的高壓、高頻信號生成中的失真

隨著技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)生更快的高壓信號的需求不斷增長，而這種需求通常由終端設(shè)備驅(qū)動。這些終端設(shè)備可以是任何東西，從提高任意波形發(fā)生器 (AWG) 和高壓時鐘發(fā)生器的速度到驅(qū)動功率場效應(yīng)晶體管或半導(dǎo)體測試設(shè)備的輸入。

高電壓和高電流對速度的要求不斷提高，這給末級輸出驅(qū)動放大器帶來了巨大壓力，要求其在工作的熱限制范圍內(nèi)不使高頻正弦信號失真。當(dāng)涉及低電阻或高電容負(fù)載驅(qū)動時，輸出放大器的高壓、高頻信號生成變得更具挑戰(zhàn)性；當(dāng)您需要高頻下的高壓擺幅時，放大器的最大線性輸出電流驅(qū)動可能會受到限制。壓擺率限制導(dǎo)致輸出信號越來越失真，并且放大器無法在高頻下提供或吸收所需的輸出電流。

在這篇文章中，我將專注于在驅(qū)動低阻或高容性負(fù)載時改善高壓、高頻正弦信號的失真性能。

為了理解壓擺率限制，我根據(jù)峰值輸出電流 ( IP ) 稍微修改了大信號帶寬的壓擺率方程式，如方程式 1 所示：

其中，f 3dB是給定峰值輸出電壓 (V P ) 下放大器的 -3-dB 帶寬，R LOAD是放大器輸出端的總電阻負(fù)載。

為了保持恒定的壓擺率，對于給定的 V P和 R LOAD ，I P應(yīng)該增加。根據(jù) R LOAD，這種線性輸出電流要求可能非常高，這會自動對放大器的輸出電流驅(qū)動能力施加嚴(yán)格限制，同時限制高頻操作。對于容性負(fù)載，線性輸出電流降低的影響更加明顯，因為阻抗隨著頻率的增加而降低。

對抗這種輸出電流驅(qū)動限制的有效方法是使用負(fù)載共享來提升驅(qū)動器。負(fù)載共享的概念是讓多個并聯(lián)放大器驅(qū)動一個共享輸出負(fù)載，其中每個放大器由相同的輸入源 (V IN ) 驅(qū)動，如圖 1 所示。使用多個并聯(lián)放大器驅(qū)動一個共享輸出負(fù)載可以有效地降低每個放大器的輸出電流要求乘以 1/N，其中 N 是并聯(lián)放大器的數(shù)量。每個并聯(lián)放大器的輸出電壓相同，因為它們由相同的 V IN驅(qū)動。

圖 1：負(fù)載共享配置中的 N 個并聯(lián) THS3491 放大器

假設(shè)反饋 (R F )、增益 (R G ) 和輸出串聯(lián)電阻 (R S1 ) 完美匹配，公式 2 給出了各個放大器輸出 V O(i)處的輸入到輸出傳遞函數(shù)：

其中 i =負(fù)載共享配置中的 1 到 N 個放大器。

等式 3 表示電阻負(fù)載 (R L1 )的 V OUT處的輸入到輸出傳遞函數(shù)：

其中是負(fù)載共享配置中 N 個放大器的組合輸出負(fù)載。

公式 4 計算負(fù)載共享配置中 N 個放大器的單個放大器輸出電流驅(qū)動：

讓我們以單個 THS3491 放大器在 20 V PP驅(qū)動 20 Ω 的 R LOAD為例。在這種情況下，所需的輸出電流驅(qū)動為 ±500 mA。THS3491 在 ±7 V 至 ±15 V 范圍內(nèi)工作，提供 900 MHz 帶寬，同時在 100 MHz 下實現(xiàn) 20 V PP輸出電壓擺幅并驅(qū)動 R負(fù)載100Ω。盡管 THS3491 可以支持 ±500 mA 的峰值輸出電流，但其輸出在示波器上可能看起來失真（或三角形），因為壓擺率限制阻止了在高頻下提供/吸收所需輸出電流的能力。（對于任何高輸出電流運算放大器 [op amp]，跨頻率輸出電流的這種降低都是正確的。）在負(fù)載共享配置中使用兩個 THS3491 放大器可在兩個放大器之間平均分配 ±250 mA 的輸出電流驅(qū)動，導(dǎo)致跨頻率的輸出波形失真較小。

圖 2 和圖 3 分別顯示了二次 (HD2) 和三次諧波 (HD3) 測量結(jié)果，比較了兩個、三個和四個 THS3491 并聯(lián)放大器，同時以 20 Ω的 R負(fù)載驅(qū)動 20 V PP 。表 1 列出了用于創(chuàng)建20 Ω R LOAD的相應(yīng)串聯(lián)和分流電阻值。從失真圖中可以看出，負(fù)載共享配置中失真性能的改善顯然具有優(yōu)勢。使用兩個并聯(lián)放大器，諧波失真在 60 MHz 時會降低到 -30 dBc 以上。但是，對于三個或四個并聯(lián)放大器，對于相同的 20-V PP輸出擺幅，輸出電流驅(qū)動強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 100 MHz 。

圖 2：并聯(lián) THS3491 放大器的 HD2 與頻率的關(guān)系；測試條件：VO = 20 V PP , R LOAD = 20 Ω

圖 3：并聯(lián) THS3491 放大器的 HD3 與頻率的關(guān)系；測試條件：VO = 20 V PP , R LOAD = 20 Ω

表 1：THS3491 并聯(lián)放大器配置的輸出電阻值，以創(chuàng)建 R負(fù)載= 20 Ω

您可以從這種負(fù)載共享方法中推斷出兩件事：

• 現(xiàn)在，每個額外的放大器必須在相同的輸出電壓擺幅下輸出更少的電流，從而將工作頻率擴(kuò)展到 f 3dB點以上。
• 并聯(lián)放大器數(shù)量的增加使電路能夠在相同的輸出擺幅和工作頻率下驅(qū)動更重的輸出負(fù)載。這是因為并聯(lián)放大器提供了增加的輸出電流提升。

需要注意的一點是，使用負(fù)載共享配置的缺點是穩(wěn)定性降低，因為長輸入和輸出印刷電路板 (PCB) 信號會導(dǎo)致電容負(fù)載增加。輸出推/拉電流不匹配與系統(tǒng)功耗增加是這種方法的另一個副產(chǎn)品。所有這些因素最終將決定您可以添加的最大并聯(lián)放大器數(shù)量。

審核編輯：符乾江